基于FPGA的汽車油改氣電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

2.3 模糊控制模塊設(shè)計
在怠速狀況下，盡量使汽車穩(wěn)定在最低轉(zhuǎn)速以節(jié)省資源并減少排放。設(shè)計了一種基于FPGA的汽車ECU的模糊控制器，只需在線修改模糊控制規(guī)則表就可以做成不同精度和不同控制規(guī)則的模糊控制器，具有通用性，控制規(guī)則實現(xiàn)簡單。模糊控制模塊由Verilog HDL語言實現(xiàn)，可以隨時對系統(tǒng)進(jìn)行升級和移植，非常靈活和方便。模糊控制模塊包含運(yùn)算模塊和模糊控制規(guī)則表模塊。
運(yùn)算模塊主要是將采集到的汽車設(shè)定轉(zhuǎn)速信號g與采集到的汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器反饋信號f進(jìn)行處理，計算出汽車轉(zhuǎn)速誤差e和轉(zhuǎn)速誤差變化率de。圖5所示為運(yùn)算模塊流程圖。

模糊控制規(guī)則表模塊的功能是把輸入的精確量進(jìn)行尺度變換，變換到相應(yīng)的論域范圍；將已變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊化處理，主要是計算各個輸入量的隸屬度，為了簡化處理，將輸入值進(jìn)行均勻量化。確定模糊控制的原則是必須保證模糊控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)特性達(dá)到最佳，既要迅速消除誤差，保證響應(yīng)的的快速性，又要防止產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，汽車轉(zhuǎn)速誤差為負(fù)大(NB)時，若誤差變化率為負(fù)中(NM)，這時汽車轉(zhuǎn)速還有進(jìn)一步增大的趨勢。為了盡快消除已有的負(fù)大誤差，并抑制誤差進(jìn)一步變大，控制量的變化應(yīng)取負(fù)大(NB)，以盡快減小汽車的轉(zhuǎn)速。模糊控制規(guī)則表如表1所示。

根據(jù)表1，模糊控制規(guī)則表用Verilog HDL描述如下：
if ((e==NB)(de==NB)) u=NB；
else if((e==Z)(de==Z)) u=ZE；
……
總共49條控制規(guī)則，其中NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分別對應(yīng)一段輸入的誤差、誤差變化率的范圍。還可以對汽車轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率論域進(jìn)一步細(xì)分，得到更精確的結(jié)果，仿真結(jié)果如圖6所示。其中，out為輸出的控制量，可以看出變化規(guī)律與理論上模糊控制規(guī)則表一致。

out對應(yīng)的是步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，用于后面生成脈沖信號。步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是基于前端的模糊控制模塊輸出信號控制的，控制單元實時檢測汽車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速并與設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，開大旁通氣道截面，增加進(jìn)氣量，缸內(nèi)的可燃混合氣增多，轉(zhuǎn)速上升；反之，轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時，控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，旁通氣閥關(guān)小，缸內(nèi)混合氣減少，轉(zhuǎn)速下降，最終使汽車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近。步進(jìn)電機(jī)的控制程序是基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計的，程序流程圖如圖7所示。正轉(zhuǎn)st0->st1->st2->st3->st0，反轉(zhuǎn)st0->st3->st2->st1->st0。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采集到實際轉(zhuǎn)速反饋信號，與設(shè)定轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行運(yùn)算，得到誤差和誤差變化率，再去查模糊控制規(guī)則表，從而形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，可見該系統(tǒng)具有實時跟蹤的性能和自我校正的功能。

為了驗證系統(tǒng)的效果，在MATLAB中搭建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖8所示。